【科学大院】去月球的“嫦娥”，带着我们研制的小小 “螺丝钉”
20年前，中国探月工程获批准立项，正式进入实施阶段。每当我看到“嫦娥”的名字，心里总会涌起一种特别的自豪感：去月球的ta，身上都有我们研制的小小“螺丝钉”呢！
并不是这样的螺丝钉：
图片来源：veer图库
而是这样的：
图片来源：作者提供
这种“螺丝钉”就是热敏电阻温度传感器（以下简称“热敏电阻器”）。
不知道啥是热敏电阻器？
其实你早就用过
你觉得“热敏电阻器”这个名词听起来很陌生？其实，家里的电子体温计上就有这个小部件。
图片来源：中国科普博览
热敏电阻器的电阻会因温度的变化而变化，由此产生电信号。通过信号处理电路可以将电信号转换成数字信号。电子体温计、测温枪都是类似的原理。
这个小零件虽然不起眼，在深空深海探测中却不可缺少，甚至还发挥着大作用：在天空中或者海洋里工作的科学研究设备（例如卫星以及深海探测器）都需要正常的工作温度，如果设备内部的温度过高，很可能就会烧坏。这时，就需要热敏电阻器来实时监控温度。
上天下海，都得带着“温度计”
我们为这些“上天下海”的设备研制的是“负温度系数热敏电阻器”（简称ntc热敏电阻器），它的电阻值会伴随温度升高而减小，热敏电阻通过电阻值的变化进行温度检测。
工作原理
ntc热敏电阻器是电阻值随温度变化而变化的电阻器件，它是以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料，采用陶瓷工艺制造而成的。这些金属氧化物材料都具有半导体性质，因为在导电方式上完全类似锗、硅等半导体材料。温度低时，这些氧化物材料的载流子(电子和孔穴)数目少，所以其电阻值较高;随着温度的升高，载流子数目增加，所以电阻值降低。ntc热敏电阻器在室温下的变化范围在100~1000000欧姆，温度系数-2%~-6.5%。ntc热敏电阻器可广泛应用于温度测量、温度补偿、抑制浪涌电流等场合。ntc热敏电阻的阻值与温度关系符合指数函数关系，可对不同的热敏电阻器做出电阻-温度曲线，通过测量电阻值就可以推算出温度。
由于ntc热敏电阻器具有响应时间快、灵敏性好、体积小、测温精度及可靠性高、互换性好、易实现远程测量和控制、成本低廉等优点，广泛应用于航天、海洋、物联网、家用电器等领域。
以航天器为例。热敏电阻器常位于航天器的热控系统。热控分系统的任务是在航天器飞行过程中，获取航天器上仪器设备的温度，保证航天器在轨运行各阶段的工作温度都处在要求的范围内，从而确保航天器在轨正常工作。我国神舟十六号载人飞船进入太空时就搭载了数百只热敏电阻器，其中航天员舱外服系统中配备了49个热敏电阻器，用于监测航天员出舱活动中的重要身体参数。
（图片来源：新华社）
在海洋领域，海洋的温度对海洋生物、气候、海洋环流等方面均有影响，通过实时监测海水的温度，海洋工作者就能直观获取和利用数据，对海洋气候、生物迁徙及海洋环流进行相关研究。我国的 “海洋六号”科考船就是这样采集到南极海底地热流数据的：船上的重力取样管上安装了一系列热流探针，当取样管插入海底沉积物后，探针上的几十个温度传感器会被自带电源瞬间加热，并记录降温过程中每秒温度值。回收取样管后，根据传感器获得的海底沉积物原位温度梯度和热导系数，就可以推算出海底的地热数据了。
小零件，高要求
但是，这个小零件，却不那么容易制造出来。
根据工作温区的不同，ntc热敏电阻器可以分为低温热敏电阻（＜-60℃）、常温热敏电阻（-60℃~300℃）、和高温热敏电阻（＞300℃）。不同的工作温区对元件有不同的要求：比如宽温区使用的元件特性要求低b值、高阻值；高灵敏度的又要求原件是高b值、低阻值；而低温的材料需要低b值、低电阻。
另外，在器件加工环节，测温敏感体的结构及形状可靠性设计及精密加工技术，直接影响器件的一致性及稳定性；元器件的绝缘性直接与器件的封装紧密关联，如高温热敏电阻器要解决热敏电阻材料和封装材料的耐高温耐真空难题……
这些都是小零件研制过程中遇到的大难题。几十年来，我们的研究团队（温敏材料及器件研制团队）就一直在探索。
1965年，研究团队接到第一个重要任务——为第一颗人造卫星“东方红一号”研发制造热敏电阻。
由于人造卫星在太空中的运行环境是高真空、高辐射环境,要承受宇宙射线（电子、γ射线）的辐照，需要随时监测和控制卫星的温度变化。为保证星载电子仪器的可靠工作，星仓内部温度和仪器表面温度必须严格控制在要求范围内。对热敏电阻的要求是尺寸小、功耗低、抗辐射、稳定性好、可靠性高、易安装。
为此，项目研制团队设计出宽温区、玻璃封装的元件，以适应高真空环境的要求，同时确保外形为扁平形状，以便于安装在电子设备上。
当我国第一颗人造卫星在1970年4月24日成功发射，从太空传来了东方红乐曲的时候，全体研制人员都激动了，回想起多少个艰苦奋斗的日日夜夜不禁潸然泪下。
六十年来，通过科研人员的科技攻关，团队研制出了低温、中温、耐高温高真空、宽温区、快响应等系列热敏电阻器产品。在温度方面，经过大量实验，最终研制出满足不同需求的材料体系，研究的低温材料体系属国内首创。在器件加工环节，设计出引线模板嵌入及3d打印成型技术，实现测温敏感体与铂丝引线的高可靠性加工。在封装环节，在无参考资料及样品的情况下，成功研制出高温玻璃封装热敏电阻器最高可以承受900℃的高温，该产品为国际首创。
跟着“嫦娥”去月球
多年来，我们研制的热敏电阻广泛应用于天问一号、 空间站实验舱、悟空、“北斗”导航系列卫星、“长征”系列火箭、“神舟”系列飞船、“嫦娥”探月工程等星、箭、船和核心器件中，多项技术与产品打破国际垄断，实现自主可控。
下面就来看看，跟着嫦娥四号和嫦娥五号去月球的小零件都完成了什么任务吧！
月壤温度测量：
嫦娥四号着陆器的月壤温度原位测量采用了接触式测量的方式。通过转移机构的运动，使测温点接触月壤表面，将温度传感器粘贴在聚酰亚胺材料制作的支架上，由于聚酰亚胺热传导系数很小，能够实现温度传感器与转移机构末端之间的热隔离。每处测温点采用高温型和低温型两种热敏电阻器配对使用, 高温型热敏电阻器的测温范围为−50℃~ 250℃, 低温型热敏电阻器的测温范围为 −196℃~−50℃。一支高温型热敏电阻器和一支低温型热敏电阻器搭配使用，最终覆盖-196℃~ 250℃范围测量。
ce-4接触式测点位置（图片来源：中国科学：技术科学，孙泽洲，2022年）
ce-4接触式温度测量部件安装在转移机构悬梯末端（图片来源：中国科学：技术科学，孙泽洲，2022年）
月表环境温度测量：
下图是嫦娥五号探测器的温度数据是通过安装在着陆器缓冲机构上的9个温度传感器获得的，其中4个mf51 (18k)型热敏电阻传感器记录了航天器飞行过程中的温度，其他5个b4型热敏电阻传感器记录的是着陆后探测器外部月球表面环境的温度。这5个温度传感器的安装位置如下图所示，它们是在嫦娥五号成功着陆42分钟后开始工作的，每3秒钟采集一次温度数据，连续工作了47.2小时，直至嫦娥五号返回舱准备点火返回。
根据月球的轨道参数和月球土壤的热物理性质计算的结果表明，在测温时间段，嫦娥五号探测器着陆场月表的环境温度由68 ºc（341 k）升高到83 ºc（356 k）。
ce-5探测器5个（1号~5号）b4型热敏电阻温度传感器的安装位置示意图（图片来源：中国科学杂志社）
结语
不止在航天、海洋等领域，热敏电阻器未来的应用范围是越来越宽，在电子电路、物联网、汽车工业、医疗、家用电器等等涉及温度测量的领域都能看到它的身影。
而对于热敏电阻研制团队的科研工作者来说，未来围绕深空、深海、深蓝、深低等领域的需求，将开展极低温、超高温、快响应、高精度、高互换、易集成的热敏电阻及其温度传感器的研究，把温度敏感材料与器件做到新高度、新水平，保障国家安全、科技发展及民生福祉。
作者：张惠敏 吴兵 何东林 妥玉玲 周佳 刘晖
作者单位：中国科学院新疆理化技术研究所
参考文献：
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